Умягчение — снижение природной жесткости воды. К методам умягчения воды относятся: 1) реагентные; 2) ионного обмена; 3) термический.
Из реагентных методов наиболее распространенный содово-известковый, с помощью которого кальций и магний осаждаются в отстойнике в виде нерастворимых солей (кальция, магния карбонатов и др.). Известь (кальция гидрок-сид), внесенная в воду в большем количестве, чем это необходимо для связывания углекислоты (углерода диоксида), взаимодействует с кальция гидрокарбонатом, образуя кальция карбонат, который выпадает в осадок.
Более современным методом является фильтрация воды через фильтры, заполненные ионитами, — катионитовое смягчение.
Иониты могут быть естественного или искусственного (минерального или органического) происхождения, практически нерастворимые в воде и органических растворителях. Способны обменивать свои ионы на ионы раствора. Большинство ионитов — высокомолекулярные соединения сетчатой или пространственной структуры. Иониты делят на катиониты (способны обменивать катионы) и аниониты (способны обменивать анионы).
С целью умягчения воду фильтруют через слой естественных (глаукони-товый песок) или искусственных катионитов толщиной 2—4 м. При этом ионы кальция и магния (Са2+, Mg2+) воды обмениваются на Na+ или Н+ катионита. В практике водоподготовки могут быть использованы лишь те катиониты, которые получили гигиеническую оценку и разрешены для использования Министерством здравоохранения.
Умягчение воды кипячением дает возможность избавить воду только от устранимой жесткости за счет разложения кальция и магния гидрокарбонатов до нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок (уравнения химических реакций приведены на с. 158).
Выбор того или иного способа определяется необходимой степенью умягчения (наилучший результат, приближенный к 100%, дает использование катионитов), зависит от количества воды, которую необходимо обработать, технических и экономических расчетов.
Опреснение воды — это удаление растворенных в ней минеральных солей до величин, рекомендованных госстандартом, при которых вода становится пригодной для питья или технических нужд. Наиболее распространенными методами опреснения воды на водопроводах являются дистилляция, химические (ионный обмен, реагентные), с применением селективных мембран (электродиализ, гиперфильтрация) и др. Опресненную воду обрабатывают, оптимизируя для питья: фильтруют через активированный уголь (удаляют привкусы и запахи), фторируют и обогащают минеральными солями, пропуская через фильтры с мраморной крошкой и добавляя часть неопресненной воды.
Опреснение высокоминерализованных (солоноватых и соленых, в том числе морских и океанических) вод является перспективным способом пополнения дефицита пресных вод в маловодных и аридных районах. Опреснение достигают или удалением из воды излишков солей, или сепарацией молекул Н20. Сепарация связана в большинстве случаев (кроме метода экстракции и обратного осмоса) с переходом воды в парообразное или твердое (лед) состояние, то есть с изменением ее агрегатного состояния.
В промышленном масштабе используют 5 основных методов опреснения воды: дистилляции, вымораживания, обратного осмоса, электродиализа, ионного обмена.
Дистилляционный процесс является одним из наиболее дешевых, поэтому сегодня как по количеству опреснительных установок, так и, особенно, по их суммарной продуктивности методы дистилляции занимают доминирующее положение.
Производительность испарительных опреснительных установок существенно зависит от максимальной температуры нагревания опресняющейся воды и степени рекуперации тепла. По характеру использования тепловой энергии и степени ее рекуперации дистилляционные установки разделяют на одно-, многоступенчатые и парокомпрессионные.
Стоимость тепловой энергии составляет 30—40% стоимости опреснения воды методом дистилляции. В связи с этим в районах с высокой интенсивностью солнечной радиации нашли применение солнечные опреснители парникового типа или с концентрацией солнечного тепла зеркальными отражателями. Обычно максимальная температура нагревания воды в гелиоустановках не превышает 65—70 °С, а их производительность зависит от испаряющей поверхности и колеблется в пределах до 4—5 л/м2 в сутки. Гелиоустановки применяют преимущественно для получения небольшого количества пресной воды.
Опреснение воды методом вымораживания основано на том, что температура замерзания соленой воды ниже температуры замерзания пресной. Методы вымораживания экономичнее дистилляции. Оптимальным является охлаждение воды при 0 °С. Важным условием является медленное течение термодинамических процессов.
Технологией этой группы методов предусмотрена двухэтапность процесса:
I этап — частичное опреснение льда при медленном замерзании воды ниже 0 °С (образование агрегатов из кристаллов пресного льда, между которыми имеются пустоты
, заполненные замерзшым рассолом);
II этап — получение пресной воды при медленном растапливании льда (сначала тает и стекает с первыми порциями воды рассол, лед опресняется и при дальнейшем таянии образуется пресная вода).
Мембранные методы являются самыми простыми, однако они рентабельны лишь при обработке воды с невысоким содержанием солей.
Электродиализный метод опреснения воды основан на принципе разделения солей в электрическом поле через селективные полупроницаемые ионито-вые мембраны: катионы солей, двигаясь под воздействием электрического тока к катоду, свободно проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовыми, анионы солей — наоборот. Попеременное размещение мембран в электродиализном аппарате обусловливает образование камер опресненной воды, чередующихся с камерами концентрата.
Метод обратного осмоса (гиперфильтрация) основан на опреснении воды путем фильтрации ее под высоким давлением (50—100 атм) через полупроницаемые мембраны, которые пропускают молекулы воды, но задерживают более крупные гидратированные ионы растворенных в воде солей. Сегодня широкое применение получили мембраны из ацетатов целлюлозы, полиамидных соединений, полиакриловой кислоты, нейлона.
Метод ионного обмена широко применяют для опреснения вод с содержанием соли до 2—3 г/л, умягчения и глубокого обессоливания пресных вод. Основан он на применении практически нерастворимых в воде ионообменных зернистых материалов — катионитов и анионитов.
Для опреснения воды обычно используют катеониты в водородной и аниониты в гидроксильной формах, то есть, предварительно заряженные соответственно обменными катионами водорода (Н-катионит) или гидроксильными анионами (ОН-анионит). Реакции ионного обмена подчиняются закону действия масс, поэтому регенерация катионитов и анионитов при их истощении соответственно осуществляется концентрированными в достаточной мере растворами кислот и оснований.
Опресненные воды обычно не совсем пригодны для питья, что обусловливает потребность в соответственном их кондиционировании: улучшении органолептических свойств, доочистке, коррекции макро- и микроэлементного состава, обеззараживании. Санитарно-технические требования к качеству начальных и опресненных вод, а также к применению различных методов опреснения высокоминерализованных вод для питьевых целей отражены в документе ВОЗ "Гигиенические аспекты опреснения воды",
Дезактивация. Коагуляция, отстаивание и фильтрация воды на водопроводах снижает содержание радиоактивных веществ в ней на 70—80%. С целью более глубокой дезактивации воду фильтруют через катионо- и анионообменные смолы.
Дефторирование воды. Показания к использованию этого метода — повышенное (свыше 1,5 мг/л) содержание фтора в воде и большое количество среди населения больных флюорозом зубов II и выше степеней. Дефторирование воды показано лишь тогда, когда для оздоровления эндемического очага флюороза невозможно изменить источник водоснабжения или разбавлять его воду водой с низкой концентрацией фтора.
При дефторировании концентрацию фтора в воде доводят до оптимальной для определенной местности. Для удаления из воды избытка фтора предложено множество методов, которые можно разделить на реагентные (методы осаждения) и фильтрационные. Реагентные методы основываются на сорбции фтора свежеосажденными алюминия или магния гидроксидами. Этот метод рекомендуется для обработки поверхностных вод, так как, кроме фторирования, достигается еще и осветление, и обесцвечивание.
Фторирование воды. Выбор дозы фтора должен обеспечить противокариозный эффект. Однако, если содержание фториона в воде превышает 1,5—2,0 мг/л, это приведет к поражению населения флюорозом. Вот почему во время фторирования воды содержание в ней фториона должно быть в пределах 70—80% от максимальных уровней в соответствии с разными климатическими районами — в пределах 0,7—1,5 мг/л.
Для фторирования питьевой воды можно использовать фторсодержащие соединения, в частности кремниефтористый натрий (Na2SiF6), кремниефтористую кислоту H2SiF6, натрия фторид (NaF), кремниефтористый аммоний (NH4)2SiF6, кальция фторид (CaF2), фтористоводородную кислоту (HF) и т. п. Есть два способа фторирования воды: на протяжении года одной дозой и посезонно зимней и летней дозами. В первом случае на протяжении года добавляют одинаковую дозу фтора, которая отвечает климатическим условиям населенного пункта. Если доза изменяется в зависимости от сезона года, то в холодный период, когда среднемесячная температура воздуха не превышает 17—18 °С, воду можно фторировать на уровне 1 мг/л, а в теплый период (например, в июне — августе) — на более низком уровне. Это зависит от средней максимальной температуры в эти месяцы. Например, при температуре 22—26 °С используют дозу 0,8 мг/л фториона, при 26—30 °С и выше — 0,7 мг/л.
Обеззараживание воды ультразвуком.
Бактерицидное действие ультразвука объясняется главным образом механическим разрушением бактерий в ультразвуковом поле. Данные электронной микроскопии свидетельствуют о разрушении клеточной оболочки бактерий. Бактерицидный эффект ультразвука не зависит от мутности (в пределах до 50 мг/л) и цветности воды. Он распространяется как на вегетативные, так и на споровые формы микроорганизмов и зависит лишь от интенсивности колебаний.
Ультразвуковые колебания, которые могут быть использованы для обеззараживания воды, получают пьезоэлектрическим или магнитострикционным путем. Чтобы получить воду, отвечающую требованиям ГОСТа 2874-82 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством", интенсивность ультразвука должна составлять около 2 Вт/см2, частота колебаний — 48 кГц в 1 с. Ультразвук частотой 20—30 кГц уничтожает бактерии за 2—5 с.
Термическое обеззараживание воды. Метод используют для обеззараживания небольшого количества воды в санаториях, больницах, на пароходах, поездах и пр. Полное обеззараживание воды и гибель патогенных бактерий достигается через 5—10 мин кипячения воды. Для этого типа обеззараживания используют специальные типы кипятильников.
Обеззараживание рентгеновским излучением. Метод предусматривает облучение воды коротковолновым рентгеновским излучением длиной волны 60—100 нм. Коротковолновое излучение глубоко проникает в бактериальные клетки, обусловливает их значительные изменения и ионизацию. Метод изучен недостаточно.
Обеззараживание вакуумированием. Метод предусматривает инактивацию бактерий и вирусов при пониженном давлении. Полный бактерицидный эффект достигается в течение 15—20 мин. Оптимальный режим обработки — при температуре 20—60 °С и давлении 2,2—13,3 кПа.
Другие физические методы обеззараживания, такие как обработка у-облучением, высоковольтными разрядами, электрическими разрядами малой мощности, переменным электрическим током, используют ограничено вследствие их высокой энергоемкости, сложности аппаратуры, а также из-за их недостаточной изученности и отсутствия информации о возможности образования вредных побочных соединений. Большинство из них сегодня находятся на стадии научных разработок.